CN1289465A - 刚柔扁天线 - Google Patents

Abstract

一种薄的且可弯曲天线具有由一种高度刚柔合金薄镍—钛制成的辐射元件。该辐射元件用硅合成橡胶介质层覆盖,该层具有经受极度弯曲应力的合适拉伸性质。外套覆盖该天线。该外套具有织物的外表面,该表面均匀地分配垂直天线的弯曲应力。

Description

刚柔扁天线

背景

本发明一般地说涉及天线领域，更具体地说涉及用于小型通信设备的天线。

商业无线电通信的发展，特别是蜂窝式无线电话系统的蓬勃发展导致了移动电话由用户的广泛使用和操纵。在设计小型通信设备，如蜂窝电话时，重要的考虑之一是它的天线的物理特性。一般地，设计一种这样的小型天线是合乎希望的，即，它足够柔韧经得起天天操作，包括偶然的误操作。例如，这种天线容许能把它弯曲到180°的大弯曲应力，并当解除该压力时仍恢复到原有形状。

常规的天线使用这种辐射元件，即，它模压(vermolding)以如塑料或合成橡胶这样的弹性材料使之可弯曲。这种辐射元件可由金属丝，压印或刻蚀的金属组成。刻蚀的柔性电路也用作辐射元件。然而，常规模压塑料或合成橡胶技术产生一种难于适应金属辐射元件的弯曲和拉长特性的天线结构。因此，弯曲这种天线，尤其在低或高温下，在辐射元件和模压结构的交界面产生多余的剪切应力。从而，当前的天线设计经常提供弯曲性有限的耐用寿命。作为一种在天线尺寸上的损失的折衷，用较大的金属元件和／或模压结构。还有，某些常规天线使用相对刚硬的金属片，例如成实心片的金属。它们放置在天线组件上的各种位置，产生天线的电气结构，例如接地面、调谐元件等。然而，这种刚性金属片的使用实质上减小了天线的柔韧性。

此外，某些移动通信设备使用可收缩天线。一个可收缩天线必须足够刚硬以便于该天线无顶撞地插入间隙区。常规天线使用圆形线或杆作为其主要结构。这个杆可用作辐射元件或只用作辐射元件的支柱。一般地，这个杆插入到安置在设备外壳内的一个单独的管子或导向装置中。然而，杆形天线需要大的间隙区，大的间隙区减小了其他无线电电路的可用空间。

所以，需要有一种具有优越柔韧性的刚性薄天线。

概要

用一种刚柔可收缩天线来举例说明提出此种需要的本发明。该天线包括扁平辐射元件、柔性介质层和织物外套。在一个实施例中，本发明使用高延伸率的硅合成橡胶的介质层，它们布置在辐射元件和外套之间，以便沿天线长度均匀地分配弯曲应力。最好辐射元件是个镍-钛(Ni-Ti)合金的扁带，它提供优于常规金属辐射元件的有效弯曲特性。由此看来，本发明的可收缩天线是一种可被弯曲而无永久变形的刚性的、薄的和可高度弯曲的天线。

按照本发明的某些更详细特点，外套具有织物外表面，它释放表面伸张和压缩的弯曲应力。通过在外表提供密集织物，均匀地将峰值弯曲应力垂直天线分布而使其降低。外套还可以包括可弯曲的金属化织品，它们由镍和铜制成，起接地平面的功用。最好将可以编织或接合的可弯曲金属化织品经硅胶与介质层粘合在一起。通过加热和加压，硅胶充满金属化织品的空隙而提高天线特性。

从下面结合附图的优选实施例的说明中本发明的其他特点和优点将成为显而易见的。附图举例说明本发明的原理。

附图的简要说明

图1是有利地利用本发明的天线的投影图。

图2是按照本发明图1的一个实施例的天线的分解图。

图3是按照本发明图1的另一个实施例的天线的分解图。

图4是按照本发明的一个实施例的天线的局部剖面图。

图5是按照本发明的另一个实施例的天线的局部剖面图。

图6(a)和图6(b)分别是表示在收缩和伸出状态的本发明天线的移动站图。

详细说明

参照图1，图1表示按照本发明组装的天线10的投影图。在一个示例性实施例中，天线10是个双频带可收缩天线，它用于移动通信设备。例如蜂窝电话。作为其主体，天线10包括一个薄天线叶片12。一个保护模压端帽14，例如由塑料制的，附加到叶片12的一端。在另一端，终端接点16提供天线10和通信设备的RF电路(未示出)之间的接口。天线10到RF电路的端接可通过常规的方法来完成，例如，焊接，置换连接器，导电弹性体、或金属压缩接触。

参照图2，图2表示按照本发明的一个实施例的天线10的分解图。天线10包括辐射元件18、介质层20和外套22。因为天线10是双频带天线，辐射元件18包括一个有源元件24，与2个寄生元件26耦合。如所示，有源元件24由例如由圆铜线制成的弯曲线组成。作为替换的方法，弯曲线也可用压印、刻蚀、电镀、或淀积方法形成。为需要在弯曲时有最大的抗疲劳强度的最小厚度。为需要在弯曲时有最大的抗疲劳强度的最小厚度，辐射元件18可以替换地由金属化织品组成。最好，寄生元件26由2个不等的Ni-Ti合金带制成。这样，Ni-Ti带为天线10的双频带性能提供保证，同时提供允许天线10成为可收缩的结构刚性。

参照图3，图3表示按照本发明的另一个实施例的天线10的分解图。按照这个实施例，辐射元件18包括一个Ni-Ti超挠性合金的扁平带而不是常规的圆线或杆作为主要机械结构。带28端接在天线10的上部的弯曲导线30。弯曲导线30由圆铜线形成，但也可用压印、刻蚀、电镀或淀积方法形成。一个调谐的寄生金属元件32粘合在覆盖辐射元件18的介电层20之一上的弯曲导线30上。这个结构用于产生双频带性能和提供使天线10成为可收缩天线的结构刚性。

按照本发明，介质层20为硅合成橡胶介质层，它们安排在辐射元件18的相对面。因为硅的挠曲模量的温度感生变化明显地小于最普通的热塑模压合成橡胶，硅合成橡胶介质层20明显地增大天线10的抗挠性。硅合成橡胶介质层20通过加压或加热同辐射元件18粘合。硅合成橡胶的成分变化可以改变材料的拉伸性质。例如，一般的硅合成橡胶介质可以以这样配方得到，这个配方在仍保持同样的介电常数值的同时在给定压力水平上提供100％到300％的拉伸度。

较硬的介质材料可以加到硅合成橡胶介质层20上以控制天线10的柔性或使介质层20的介电常数适应规定的特性阻抗。例如，聚醚亚胺(PEI)(图4所示)可以用于需要高强度和最大柔性的应用。PEI接近匹配硅的介电常数，并很好地与硅合成橡胶介质层20粘合。

外套22为天线10提供适应环境的外表面。例如，编织织品层可用于机械加强或耐磨。通过适当地选择合成橡胶拉伸性质和外套厚度，完成辐射元件18和硅合成橡胶介质层20的柔性与外套22的柔性的配合。在需要最小天线厚度的应用中，也可使用氟化乙丙烯(FEP)薄层。

按照本发明的特点之一，天线10的外套22具有织物外表面，这些表面均匀地分配垂直天线的弯曲应力。在这种安排下，使外表面织物的深度和纹距最适合给定的横截面保持弯曲应力在对拉张、压缩和剪切弯曲力的抗疲劳限度内。

参照图4，天线10的局部剖面图，示例地表示包括外套22的织物外表面的各层的尺寸。如所示的，示例性织物外表面具有接近正弦形剖面。已确定，具有织物表面的结构中的有效介电厚度近似等于织物的剖面高度的均方根(RMS)。硅合成橡胶介质层20的有效厚度用于产生在给定的线宽的特定阻抗。在这种安排下，这个厚度可以在整个天线处处不同，以产生对于由带线或微带组成的天线结构的控制阻抗。利用众所周知的公式，由包括线的材料的几何形状和介电常数计算RF传输线的特定特性阻抗(Zo)。依据几何形状形成带线还是微带传输线(两种型式都可以用于实际的天线)，使用不同的公式。

这样，织物外表面提供更柔顺的结构，降低弯曲应力而不严重地损害规定特性阻抗或提高介质损耗值。利用众所周知的技术在天线的粘合和塑化期间形成外织物表面。借助一种技术，在塑化过程中使用的压力垫形成所选的织物。织物首先在压力垫的配合面上形成，然后在塑化过程用热和压力将它转移到天线元件表面。

参照图5，图5表示按照本发明的另一个实施例的天线的局部剖面图。在这个实施例下，外套包括可弯曲的金属化织品层34，起天线10的接地面的功用，和外套36，提供天线的织物外表面。选金属化织品层34以提高强度和高温处理能力。最好，金属化织品层由铜和镍合金制成，该合金布置在提供外套36的聚酯或液晶聚合物(LCP)型布里。可用于本发明的天线中的一种示例性的可弯曲金属化织品被记作由安伯里(Ambury)集团制造的Flectron_，它是0．006″(标称值)厚的聚酯编织织品。在这个实施例下较可取的是，用硅胶层38将外层36和金属化织品层34互相粘合。

本发明使用硅合成橡胶粘结剂粘合所有层并提供信号、介质和接地面之间的弯曲应力释放。外套22的外表面可以是热塑合成橡胶或类似的耐磨可弯曲材料。硅介质层20提供与由于温度，特别是在低温下的高拉伸一致的柔韧性，防止金属化织品层在弯曲期间断裂。在硅胶塑化期间施加压力以便保证硅完全充满所有金属化织品的纤维之间的空隙。另外，硅合成橡胶介质层20与辐射元件18的粘合可以使用各种热激活粘结膜，例如四氟乙烯TEE或FEP配合特定结构的电和机械性能要求。硅胶的使用提供对用于当前发明的低表面能介质，例如TFE、PEI或全氟烷氧基烷烃(PFA)的充分粘合。这因为氟化的或氟端接(氟化物)材料除了用硅合成橡胶粘结剂否则不易化学上结合。通过将硅烷助粘剂加到硅合成橡胶粘合剂或通过利用氟化材料的氧等离子预处理可以实现进一步的结合加强。

天线10被设计成保持弯曲应力在硅合成橡胶介质层20的抗疲劳限度以内。更具体地说，对于产生特定特性阻抗的给定横截面，所选材料的自然弯曲半径和合成的应力水平由物理模型(实验地)，横梁弯曲计算(显解)，或有限元分析(FEA)来确定。这些应力水平呈现一个最大值，它低于弯曲所致绕性逆转的预先考虑数量的失效极限。材料耐疲劳曲线图一般按应力水平对应力逆转数量的失效线图(failure line plot称作“S／N”曲线图)给出。如上所述，对于特定的特性阻抗，本发明控制介质层的拉伸性质和外套22表面的织物以便保持弯曲应力水平在天线10的抗疲劳强度以下。

参照图6(a)和6(b)，它们表示使用分别在收缩状态和伸长状态的本发明天线10的便携通信设备。如图6(a)所示，当天线收缩时，只露出顶上弯曲线42和寄生元件44。在这种安排下，调整(定尺寸)弯曲样式以形成在800MHz波段的四分之一波长(λ／4)辐射元件。结果是50Ω输入阻抗能连接到RF馈源46。为双频带工作，寄生元件44在高频带垂直弯曲线42耦合，同时不影响较低频带。寄生元件44垂直弯曲线42放置形成50Ω输入阻抗。依据其长度，Ni-Ti带20可以或不可以在末端接地。

如图6(b)所示，当天线伸长时，Ni-Ti带20露出与弯曲线42串联形成在800MHz的二分之一波长(λ／2)辐射器。Ni-Ti带20连接到RF馈源46，一般与匹配网络连接。为双频带工作，增加与Ni-Ti带20平行的接地迹线48。调节间隔和长度直到在工作的高频带得到双频带(50Ω输入)响应为止。

从以上说明会知道，公开了为在小型通信设备中使用的薄且可弯曲天线。使用可弯曲介质和金属化材料产生一种在通常使用中可重复弯曲的天线。介质粘结剂的薄膜和柔性金属化被用于将天线结构分层。这种技术产生一种能容易地使之适合产生可重复控制阻抗特性的结构。通过适当的材料选择很容易控制该结构的弯曲半径和柔韧性。这个制作方法能够形成很薄的天线叶片，并适用于大批量自动化生产。

虽然已只参照目前优选的实施例详尽地说明了本发明，但是本专业技术人员会理解到，不偏离本发明可以作各种改进。因此，只用下述权利要求明确表示本发明，权利要求企图包括所有本发明的相等物。

权利要求书按照条约第19条的修改

1．一种天线，它包括：

辐射元件；

硅合成橡胶介质层，与该辐射元件粘合；以及

外套，为该天线提供一个外表面，其中所说硅合成橡胶布置在辐射元件和外套之间，用于均匀地分配沿天线长度的弯曲应力。

2．权利要求1的天线，其中辐射元件包括镍-钛合金。

3．权利要求1的天线，其中辐射元件包括一个有源元件和一个寄生元件，其中该寄生元件由镍-钛合金制成。

4．权利要求1的天线，其中外套具有织物外表面，该表面实质上分配垂直天线的弯曲应力。

5．权利要求1的天线，其中外套包括可弯曲的金属化织品。

6．权利要求5的天线，其中可弯曲的金属化织品由镍和铜制成。

7．权利要求1的天线，其中所说硅合成橡胶介质层用热激活粘结膜粘合到辐射元件上。

8．权利要求1的天线，其中硅合成橡胶介质层用硅胶粘合到外套上。

9．一种扁天线，它包括：

辐射元件，包括一条镍-钛合金带；

硅合成橡胶介质层，粘合到该辐射元件的相对面；以及

外套，为该天线提供外表面，其中外套具有织物外表面，该表面实质上分配垂直天线的弯曲应力。

10．权利要求9的扁天线，其中辐射元件包括一个有源元件和几个寄生元件。

11．权利要求9的扁天线，其中外套包括相对应的可弯曲的金属化织品层，起天线接地面的功用，以及外套，提供织物外表面。

12．权利要求9的扁天线，其中金属化织品层由镍和铜制成。

13．权利要求10的扁天线，其中硅合成橡胶介质层用热激活的粘结膜粘合到辐射元件上。

14．权利要求10的扁天线，其中金属化织品层和外层用硅粘结剂层互相粘合。

15．权利要求10的扁天线，其中外层由聚酯布制成。

16．权利要求10的扁天线，其中外层由液晶聚合物布制成。

Claims (16)

1．一种天线，它包括：辐射元件；硅合成橡胶介质层，与该辐射元件粘合；以及外套，为该天线提供一个外表面。

2．权利要求1的天线，其中辐射元件包括镍-钛合金。

3．权利要求1的天线，其中辐射元件包括一个有源元件和一个寄生元件，其中该寄生元件由镍-钛合金制成。

4．权利要求1的天线，其中外套具有织物外表面，该表面实质上分配垂直天线的弯曲应力。

5．权利要求1的天线，其中外套包括可弯曲的金属化织品。

6．权利要求5的天线，其中可弯曲的金属化织品由镍和铜制成。

7．权利要求1的天线，其中所说硅合成橡胶介质层用热激活粘结膜粘合到辐射元件上。

8．权利要求1的天线，其中硅合成橡胶介质层用硅胶粘合到外套上。

9．一种扁天线，它包括：辐射元件，包括一条镍-钛合金带；硅合成橡胶介质层，粘合到该辐射元件的相对面；以及外套，为该天线提供外表面，其中外套具有织物外表面，该表面实质上分配垂直天线的弯曲应力。

10．权利要求9的扁天线，其中辐射元件包括一个有源元件和几个寄生元件。

11．权利要求9的扁天线，其中外套包括相对应的可弯曲的金属化织品层，起天线接地面的功用，以及外套，提供织物外表面。

12．权利要求9的扁天线，其中金属化织品层由镍和铜制成。

13．权利要求10的扁天线，其中硅合成橡胶介质层用热激活的粘结膜粘合到辐射元件上。

14．权利要求10的扁天线，其中金属化织品层和外层用硅粘结剂层互相粘合。

15．权利要求10的扁天线，其中外层由聚酯布制成。

16．权利要求10的扁天线，其中外层由液晶聚合物布制成。

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